WO2005119823A1 - 排気弁の故障診断装置 - Google Patents

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WO2005119823A1
WO2005119823A1 PCT/JP2005/009838 JP2005009838W WO2005119823A1 WO 2005119823 A1 WO2005119823 A1 WO 2005119823A1 JP 2005009838 W JP2005009838 W JP 2005009838W WO 2005119823 A1 WO2005119823 A1 WO 2005119823A1
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exhaust valve
hydrogen
pressure
failure
valve
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PCT/JP2005/009838
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French (fr)
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Norimasa Ishikawa
Naoki Kanie
Original Assignee
Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • HELECTRICITY
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a failure diagnosis device that determines a failure of an exhaust valve disposed in a discharge flow path of an anode exhaust gas of a fuel cell system, and more particularly to an improved technique for improving failure determination accuracy.
  • the hydrogen gas discharged from the anode is returned to the anode again.
  • the hydrogen gas circulation path is provided with a hydrogen exhaust valve for exhausting a part of the hydrogen gas.When the concentration of components other than hydrogen contained in the hydrogen gas becomes high, the hydrogen exhaust valve is periodically turned on. In this way, the concentration of hydrogen supplied to the anode is properly maintained. However, if an abnormality occurs in the hydrogen exhaust valve and the opening and closing operation of the valve does not function properly, battery operation will be hindered.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-92212 detects a hydrogen discharge command to the hydrogen exhaust valve, and determines the target pressure of the fuel supply section of the fuel cell stack and the actual hydrogen supply pressure.
  • a technique for judging the failure of the hydrogen exhaust valve based on this has been proposed. If the hydrogen exhaust valve is open, the actual hydrogen supply pressure should drop below the target pressure, so if the difference is greater than or equal to the threshold, it is normal and if the difference is less than the threshold, it is determined to be a closed failure it can. Also, when the hydrogen exhaust valve is closed, the actual hydrogen supply pressure should match the target pressure. Therefore, if the difference is less than the threshold, it is normal, and if the difference is greater than the threshold, it is open. late Can be determined as a failure.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Publication No. JP-A-2003-9221
  • a pressure sensor is installed in the hydrogen supply path of the fuel cell stack to detect the hydrogen supply pressure, so such a configuration is employed in a system having a hydrogen circulation system. Then, since the pressure sensor is affected by the pulsation (pressure fluctuation) of the hydrogen circulation pump that propagates the hydrogen gas, it becomes difficult to accurately detect the hydrogen supply pressure required for the failure diagnosis of the hydrogen exhaust valve. There is a risk of erroneous diagnosis of failure judgment.
  • the relationship between the opening and closing time of the hydrogen exhaust valve and the amount of power generated by the fuel cell stack is stored in advance as map data, and the opening and closing of the hydrogen exhaust valve is controlled with reference to this map data.
  • map data When the flow characteristic of the hydrogen exhaust valve changes due to the aging of the exhaust system or some system factor, a deviation may occur between the actual hydrogen purge amount and the map value (planned hydrogen purge amount). You. If the actual amount of hydrogen purge falls below the map value, the impurity concentration in the hydrogen circulation system will increase, and the power generation characteristics of the fuel cell stack will decrease. On the other hand, if the actual amount of hydrogen purge exceeds the map value, the fuel consumption will deteriorate. In order to detect such abnormalities, it is necessary to identify the abnormal part only by detecting the pressure change in the hydrogen exhaust passage upstream of the hydrogen exhaust valve when the hydrogen exhaust valve is opened and when it is closed. I can't.
  • the present invention solves the above-mentioned problem, and solves the problem of anode discharge of a fuel cell system. It is an object of the present invention to propose a failure diagnosis device that can accurately determine a failure of an exhaust valve disposed in a gas discharge passage.
  • a failure diagnosis device of the present invention is a device for diagnosing a failure of an exhaust valve disposed in a discharge flow path of an anode exhaust gas exhausted from a fuel cell, comprising: Detecting means for detecting a state quantity of the anode exhaust gas between the anode exhaust gas outlet of the battery and the exhaust valve; and detecting a failure of the exhaust valve based on the state quantity of the anode exhaust gas detected by the detecting means. Determining means for determining. Since the failure of the exhaust valve is determined based on the state quantity of the anode exhaust gas between the outlet of the anode exhaust gas and the exhaust valve, accurate failure diagnosis can be performed.
  • a failure diagnosis device is a device for diagnosing a failure of an exhaust valve disposed in a discharge flow path of an anode exhaust gas exhausted from a fuel cell, comprising: a discharge port for an anode exhaust gas of a fuel cell.
  • Detecting means for detecting the state quantity of the anode exhaust gas between the fuel cell and the exhaust valve; and detecting the exhaust valve state based on the state quantity of the anode exhaust gas detected by the detecting means and a failure determination value corresponding to the operating state of the fuel cell.
  • Determining means for determining a failure; By performing the failure determination of the exhaust valve based on the failure determination value corresponding to the operating state of the fuel cell, the failure determination can be accurately performed without being affected by the operating state of the fuel cell.
  • the pressure of the anode exhaust gas is suitable.
  • the failure diagnosis apparatus of the present invention further includes a throttle means for reducing a flow path cross-sectional area of a discharge flow path between the discharge port of the anode exhaust gas and the exhaust valve, and the detection means includes a throttle means and an exhaust valve. It is desirable to configure to detect the state quantity of the anode exhaust gas during the period.
  • the throttle means By installing the throttle means in the discharge passage;, since the amount of decrease in ⁇ Roh one de exhaust gas pressure at the time of opening of the exhaust valve can be further increased, the anode exhaust gas varies depending on the operating state of the fuel cell Accurate failure judgment can be performed without being affected by pressure.
  • the determination means repeats the determination of the exhaust valve failure a plurality of times when the failure of the exhaust valve is detected. With this configuration, it is possible to avoid erroneous determination due to a temporary malfunction or the like.
  • the determination means determines a failure of the exhaust valve based on a pressure change accompanying the opening and closing of the exhaust valve.
  • Valve failure can be determined by detecting pressure fluctuations associated with opening and closing the exhaust valve.
  • the determination means detects the anode exhaust gas pressure detected by the detection means when the closed exhaust valve opens, and the detection means detects from the time the exhaust valve opens until the exhaust valve closes. It is preferable to determine the failure of the exhaust valve based on the minimum pressure of the anode exhaust gas and the return pressure of the anode exhaust gas detected by the detecting means when the opened exhaust valve closes. By performing a failure determination of the exhaust valve based on the plurality of pressure values, a highly accurate failure determination can be realized.
  • the determining means is configured to determine whether the decrease in the pressure value of the anode exhaust gas detected by the detecting means when the closed exhaust valve is opened is less than a predetermined threshold value, or to the downstream side of the exhaust valve or It is preferable to determine that there is a flow rate reduction factor in the exhaust valve itself, and to determine that there is a flow rate reduction factor upstream of the exhaust valve when the flow rate is equal to or more than a predetermined threshold value. With this configuration, it is possible to specify a part of a flow rate reduction factor generated in the discharge flow path of the anode exhaust gas.
  • FIG. 1 is a main configuration diagram of the fuel cell system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a decrease in outlet hydrogen pressure when the hydrogen exhaust valve is opened.
  • FIG. 3 is a failure determination routine using the absolute pressure of the outlet hydrogen pressure.
  • FIG. 4 shows a failure determination routine using the differential pressure of the outlet hydrogen pressure.
  • FIG. 5 is a main configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a main configuration diagram of the fuel cell system according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a pressure change due to the opening / closing operation of the hydrogen exhaust valve.
  • FIG. 8 is a failure determination routine of the hydrogen exhaust valve.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a pressure change accompanying the opening / closing operation of the hydrogen exhaust valve.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a pressure change accompanying the opening / closing operation of the hydrogen exhaust valve.
  • FIG. 11 is a determination routine for identifying an abnormal site in the hydrogen exhaust system. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the failure diagnosis device provides a hydrogen flow path (hydrogen discharge path or hydrogen circulation path) between the hydrogen discharge port of the fuel cell and the hydrogen discharge valve when an open / close command is given to the hydrogen discharge valve.
  • the state quantity of the flowing hydrogen gas is detected, and based on the detected state quantity of the hydrogen gas and the failure determination value corresponding to the operating state of the fuel cell (for example, the hydrogen gas state quantity and the failure determination) Determine the failure of the hydrogen exhaust valve (operational failure such as open / close failure or gas leakage due to damage, etc.).
  • the state quantity of the hydrogen gas means the hydrogen pressure or a physical quantity physically equivalent to the hydrogen pressure (for example, the flow rate or the flow velocity of the hydrogen gas).
  • the state quantity of the hydrogen gas shall include the change amount of the hydrogen pressure or a physical quantity equivalent to the hydrogen pressure or the change rate thereof.
  • the gas state quantity is exemplified by hydrogen pressure (absolute pressure) or a change amount thereof, but is not limited to this.
  • the failure determination value refers to the state quantity of hydrogen gas as a guide for failure determination, and an appropriate failure determination can be made by taking into account the amount of change in the gas state quantity of hydrogen gas that varies according to the operating state of the fuel cell. It is desirable to set so that it can be performed.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell system 10 according to the present embodiment.
  • the system 10 is, for example, configured as a power generation system for mounting on a fuel cell vehicle or stationary, and includes a fuel cell stack 20 that receives a supply of a reaction gas (hydrogen gas, oxygen gas) and generates electric power.
  • a reaction gas hydrogen gas, oxygen gas
  • Fuel cell stack 20 Membrane electrode assembly 24 in which anode electrode 22 and force electrode 23 are formed on both sides of polymer electrolyte membrane 21 composed of proton-conducting ion exchange membrane etc. It has.
  • Both surfaces of the membrane electrode assembly 24 are sandwiched by a ribbed separator (not shown), and a groove-shaped anode gas channel 25 and a force source gas channel 2
  • a hydrogen supply source such as a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage alloy tank
  • a regulator 61 When being supplied and subjected to the battery reaction, it flows through the hydrogen discharge path 32 and is discharged.
  • the hydrogen discharge path 32 is provided with a hydrogen exhaust valve 62 for discharging hydrogen off-gas out of the system.
  • the hydrogen exhaust valve 62 for example, an electromagnetic shutoff valve is suitable, and any of a linear valve and an on / off valve may be used.
  • a pressure sensor 70 is provided between the hydrogen discharge port 27 of the fuel cell stack 20 and the hydrogen exhaust valve 62 as detection means for detecting the hydrogen pressure in the hydrogen discharge path 32.
  • the oxygen gas supplied from the oxygen supply path 41 to the power source electrode 23 flows through the oxygen discharge path 42 after being subjected to the battery reaction, and is discharged.
  • the control unit 50 is a system controller that performs power generation control in accordance with a required load, and gives an opening / closing command of the hydrogen exhaust valve 62 as needed to periodically discharge hydrogen off-gas.
  • the control unit 50 functions as a failure diagnosis device including a determination unit 51 that determines a failure such as an open / close failure or breakage of the hydrogen exhaust valve 62 based on the hydrogen pressure detected by the pressure sensor 70.
  • the minimum hydrogen pressure in the hydrogen exhaust passage 32 between the hydrogen exhaust port 27 and the hydrogen exhaust valve 62 (hereinafter referred to as the outlet hydrogen pressure) is obtained.
  • the pressure becomes higher than the assumed maximum pressure (estimated maximum pressure) at the time of hydrogen purging (when the hydrogen exhaust valve 62 is opened), and when the hydrogen exhaust valve 62 is normally opened, the outlet hydrogen pressure does not pass. It has been confirmed by the inventor's experiments that the pressure is below the assumed minimum pressure (estimated minimum pressure) during normal operation (when the hydrogen exhaust valve 62 is closed).
  • the assumed maximum pressure during hydrogen purging and the assumed minimum pressure during normal operation are the pressures determined according to the operating conditions of the system (such as the operating load of the fuel cell stack 20 and the flow characteristics of the regulator 61). Value or a constant pressure value irrespective of the operating state of the system.
  • These pressure values can be used as failure determination values for the hydrogen exhaust valve 62. Specifically, the outlet hydrogen pressure (absolute pressure) when the hydrogen exhaust valve 62 is closed or the outlet hydrogen pressure (absolute pressure) when the hydrogen exhaust valve 62 is open is determined.
  • FIG. 3 shows a hydrogen exhaust valve failure determination routine using the absolute value of the outlet hydrogen pressure.
  • This routine is executed by the control unit 50.
  • an initial value “1” is assigned to initialize the variable I (S 101).
  • Variable I is a variable for counting the number of repetitions of failure judgment.
  • S102 it is determined whether or not hydrogen purging is performed.
  • S102 When performing hydrogen purging (S102; YES), a valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62 (S103), and the minimum value of the outlet hydrogen pressure (the minimum pressure detected by the pressure sensor 70) is obtained. It is determined whether P1 is equal to or higher than the assumed maximum pressure PX during hydrogen purging (S104).
  • the value of the variable I is incremented by "1" (S107), and if the value of the variable I is less than the predetermined number of times IA (S108; NO), the processing after S103 is repeated again, If the value is equal to or more than the predetermined number of times IA (S108; YES), it is determined that the hydrogen exhaust valve 62 is in a closed failure state (S109).
  • open failure refers to a failure state in which the valve remains open and cannot be closed
  • closed failure refers to a failure state in which the valve remains closed and cannot be opened
  • FIG. 4 shows a hydrogen exhaust valve failure determination routine using the differential pressure of the outlet hydrogen pressure.
  • This routine is executed by the control unit 50.
  • this routine is called, first, an initial value “1” is assigned to initialize the variable J (S 2 01).
  • the variable J is a variable for counting the number of repetitions of the failure determination.
  • it is determined whether or not to perform hydrogen purging (S202). If the hydrogen purging is not performed (S202; NO), the routine ends.
  • the secondary pressure of the regulator 61 decreases, while at a low load that a small flow of hydrogen is sufficient, the secondary pressure of the regulator 61 increases. The value is lower during low load operation than during load operation. Then, the differential pressure (PA-PB) is compared with the assumed differential pressure PZ. If the differential pressure (PA-PB) is higher than the assumed differential pressure PZ (S206; YES), no switching failure (normal operation) (.S207) and terminates the routine.
  • the hydrogen discharge path between the hydrogen discharge port 27 and the pressure sensor 70 is increased in order to enhance the failure determination accuracy.
  • An orifice (throttle means or flow rate restricting means) 80 for reducing the cross-sectional area of the flow passage is provided at 32 (see FIG. 1) so as to further increase the amount of decrease in the outlet hydrogen pressure after the hydrogen exhaust valve 62 is opened. It is desirable to configure. If the orifice 80 is provided upstream of the pressure sensor 70, the fluid resistance of the hydrogen discharge passage 32 increases, so even if the hydrogen exhaust valve 62 is opened, the hydrogen gas is supplied to the pressure sensor 70 downstream of the orifice 80. Is difficult to flow.
  • the amount of decrease in the outlet hydrogen pressure (solid line) when the orifice 80 is provided is larger than the amount of decrease in the outlet hydrogen pressure (dotted line) when the orifice 80 is not provided.
  • the amount of decrease in the outlet hydrogen pressure after the opening of the hydrogen exhaust valve 62 it is possible to avoid erroneous determination of the switching failure due to the operation load / flow rate characteristics of the regulator 61, and the like.
  • the failure determination of the hydrogen exhaust valve 32 is performed by comparing the failure determination value taking into account the variation of the hydrogen flow rate caused by the operating load and the flow rate characteristics of the regulator 61 with the outlet hydrogen pressure.
  • failure determination can be performed without being affected by the operation state of the system.
  • the orifice 80 upstream of the pressure sensor 70 the amount of decrease in the outlet hydrogen pressure after opening the hydrogen exhaust valve 62 is increased, which is caused by the operating load and the flow characteristics of the regulator 61. Misjudgment of switching failure can be avoided.
  • either one of the hydrogen exhaust valve failure determination routine using the absolute pressure of the outlet hydrogen pressure and the hydrogen exhaust valve failure determination routine using the differential pressure of the outlet hydrogen pressure may be executed. If an open / close failure is detected in the failure determination routine, the other failure determination routine may be executed to redetermine the presence or absence of the open / close failure. , '
  • FIG. 5 shows a schematic configuration of the fuel cell system 11 according to the present embodiment.
  • the system 11 has a hydrogen circulation system, and a hydrogen circulation path 33 for returning the hydrogen gas flowing through the hydrogen discharge path 32 to the hydrogen supply path 31 is provided.
  • a hydrogen circulation pump 63 for pumping the hydrogen gas discharged from the fuel cell stack 20 to the hydrogen supply path 31 is provided in the hydrogen discharge path 32.
  • the operation of the hydrogen circulation pump 63 is controlled by the control unit 50.
  • the driving of the hydrogen circulation pump 63 is performed in addition to the flow rate characteristics of the regulator 61.
  • the outlet hydrogen pressure (detected pressure) detected by the pressure sensor 70 may be affected by the hydrogen circulation pump 63 to cause a measurement error. Therefore, by providing an orifice 80 between the downstream side of the hydrogen circulation pump 63 and the pressure sensor 70, the pressure fluctuation of the hydrogen gas propagating to the pressure sensor 70 due to the driving of the hydrogen circulation pump 63 is suppressed. are doing.
  • the failure determination processing of the hydrogen exhaust valve 62 (the hydrogen exhaust valve failure determination routine using the absolute pressure or the differential pressure of the outlet hydrogen pressure) in the present embodiment is the same as that in the first embodiment.
  • Example 1 or Example 2 described above as a means for increasing the decrease in the outlet hydrogen pressure when the hydrogen exhaust valve 62 is opened, the flow path cross-sectional area of the hydrogen discharge path 32 is reduced.
  • the orifice 80 is not necessarily required if the throttling means is capable of reducing the pressure.
  • a valve as a throttling means is provided in the hydrogen discharge path 32, and the valve opening degree is adjusted to adjust the hydrogen discharge path 3
  • the configuration may be such that the cross-sectional area of the channel 2 is reduced.
  • a restricting means (such as an orifice or a valve) is not always essential, and may be omitted as appropriate.
  • FIG. 6 shows a schematic configuration of the fuel cell system 12 according to the present embodiment.
  • the hydrogen gas released from the high-pressure hydrogen tank 92 is supplied to the anode 22 of the fuel cell 20 through the hydrogen supply path 31.
  • the hydrogen off-gas after being subjected to the battery reaction flows through the hydrogen discharge path 32, is compressed by the hydrogen circulation pump 63, and returns to the hydrogen supply path 31 via the hydrogen circulation path 33.
  • a hydrogen discharge path 34 is branched from the hydrogen circulation path 33 to open and close the hydrogen exhaust valve 62 so as to discharge hydrogen off-gas having a high impurity concentration out of the hydrogen circulation system.
  • the hydrogen off-gas discharged from the hydrogen exhaust valve 62 is introduced into the diluter 93, where it is diluted to a sufficiently low concentration. It is exhausted outside.
  • the air taken in from the atmosphere is pressurized by the air compressor 9 1 and supplied to the power source pole 23 through the oxygen supply path 41.
  • the oxygen off-gas after being subjected to the battery reaction flows through the oxygen discharge path 42 and flows into the diluter 93.
  • a flow rate limiting element 90 is provided upstream of the hydrogen exhaust valve 62.
  • the flow rate limiting element 90 is a member for limiting the flow rate of the hydrogen off gas flowing through the hydrogen discharge path 34, and is, for example, an orifice.
  • the control unit 50 controls the drive of the air compressor 91 and controls the opening and closing of the hydrogen exhaust valve 62, and also determines the failure of the hydrogen exhaust valve 62 based on the pressure value detected by the pressure sensor 70.
  • the pressure sensor 70 measures the hydrogen pressure in the hydrogen discharge passage 34 between the outlet side of the flow rate limiting element 90 and the inlet side of the hydrogen exhaust valve 62.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a pressure change accompanying the opening / closing operation of the hydrogen exhaust valve 62.
  • a drive signal for repeating the opening and closing operation of the hydrogen exhaust valve 62 three times is output.
  • the first valve opening command is in the period from time t1 to t2
  • the second valve opening command is in the period from time t3 to t4
  • the third valve opening command is in the period from time t5 to t6.
  • the hydrogen exhaust valve 62 normally opened, but the second and third times. , Remains open (open fault).
  • P 1—n is the pressure value immediately after the n-th valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62
  • P 2—n is the n-th valve opening command given to the hydrogen exhaust valve 62.
  • P3-n is the return pressure value immediately after the nth valve closing command is given to the hydrogen exhaust valve 62.
  • Each of these pressure values P 1 — n, P 2 — n, and P 3 — n is a detection value of the pressure sensor 70. If no valve failure has occurred in the hydrogen exhaust valve 62, the pressure P 1 — n when the hydrogen exhaust valve 62 is closed is equal to the pressure in the hydrogen circulation path 33.
  • the control unit 50 stores the pressure values ⁇ 1-1, ⁇ 2-1, and ⁇ 3-1 when the first valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62.
  • the controller 50 compares ⁇ 3-1 with ⁇ 2-1 and determines whether or not the pressure difference between the two is equal to or greater than a predetermined threshold.
  • a predetermined threshold In the example shown in FIG. 7, since the hydrogen exhaust valve 62 normally opens and closes in response to the first valve opening command, the pressure difference between the two becomes equal to or higher than the threshold value. Therefore, the control unit 50 determines that the hydrogen exhaust valve 62 is normally opened and closed, and stores ⁇ 1-1 as a normal pressure.
  • the control unit 50 stores the pressure values ⁇ 1-2, ⁇ 2-2, and ⁇ 2-2 when the second valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62.
  • the control unit 50 compares ⁇ 3-2 with ⁇ 2-2 and determines whether or not the pressure difference between the two is equal to or greater than a predetermined threshold.
  • a predetermined threshold In the example shown in FIG. 7, since the hydrogen exhaust valve 62 does not open and close normally in response to the second valve opening command, the pressure difference between the two becomes less than the threshold value. Therefore, the control unit 50 determines that the hydrogen exhaust valve 62 is in an open failure state and determines that the hydrogen exhaust valve 62 is in an open failure state.
  • the control unit 50 instructs the air compressor 91 to increase the air flow rate.
  • control unit 50 gives a third valve opening instruction to the hydrogen exhaust valve 62 for redetermination.
  • the control unit 50 stores the pressure values P 1-3, ⁇ 2-3, and ⁇ 3-3 when the third valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62.
  • the control unit 50 compares PI-1 (normal pressure) with P1-3, and It is determined whether or not the differential pressure is less than a predetermined threshold. In the example shown in FIG. 7, since the hydrogen exhaust valve 62 does not open and close normally in response to the third valve opening command, the pressure difference between the two becomes equal to or higher than the threshold value. Therefore, the control unit 50 determines that the state of the open failure of the hydrogen exhaust valve 62 continues.
  • PI-1 normal pressure
  • the control unit 50 compares P3-3 with P2-3 and determines the differential pressure between the two. Is greater than or equal to a predetermined threshold. In the example shown in FIG. 7, since the hydrogen exhaust valve 62 does not normally open and close in response to the third valve opening command, the pressure difference between the two becomes less than the threshold value. Therefore, the control unit 50 determines that the state of the open failure of the hydrogen exhaust valve 62 continues.
  • FIG. 8 shows a failure determination routine of the hydrogen exhaust valve 62.
  • the control unit 50 determines whether or not the pressure difference between P3-1 and P2-1 is equal to or greater than a predetermined threshold (S301).
  • a predetermined threshold S301; YES
  • the control unit 50 determines that the hydrogen exhaust valve 62 is normally opened and closed (S302). ), End this routine.
  • the pressure difference between P3-1 and P2-1 is less than the predetermined threshold value (S301; NO)
  • S301; NO the predetermined threshold value
  • the control unit 50 again gives a valve opening command to the hydrogen exhaust valve 62 and gives an air flow increase command to the air compressor 91 (S303).
  • the control unit 50 determines whether or not the pressure difference between PI-1 and P1-3 is less than a predetermined threshold (S304).
  • S304 the predetermined threshold value
  • the control unit 50 determines that the hydrogen exhaust valve 62 is normally opened and closed. (S302), this routine ends.
  • the pressure difference between P1-1 and P1-3 is equal to or higher than the predetermined threshold value (S304; NO)
  • the pressure difference between P3_3 and P2—3 is It is determined whether the value is equal to or more than the value (S305). If the pressure difference between P3-3 and P2-3 is equal to or greater than the predetermined threshold value (S305; YES), the control unit 50 opens and closes the hydrogen exhaust valve 62 normally. Is determined to be present (S302), and this routine ends. On the other hand, if the pressure difference between P3-3 and P2-3 is less than the predetermined threshold value (S305; NO), the control unit 50 determines that the hydrogen exhaust valve 62 has failed to open. Is determined (S306), and this routine ends.
  • the pressure sensor 70 is disposed in the hydrogen discharge path 34 between the outlet side of the flow rate limiting element 90 and the inlet side of the hydrogen exhaust valve 62, the pressure of the hydrogen exhaust valve 62 A large change in pressure due to opening and closing can be obtained.
  • the failure of the hydrogen exhaust valve 62 can be determined more accurately by comparing a plurality of pressure values (PI-n, P2_n, and P3-n), and the open failure of the hydrogen exhaust valve 62 can be determined.
  • PI-n, P2_n, and P3-n a plurality of pressure values
  • the fuel cell system to which the present embodiment is applied may have a configuration in which a pressure sensor 70 is provided upstream of the hydrogen exhaust valve 62.
  • a configuration in which the pressure sensor 70 is disposed between the hydrogen exhaust valve 62 and the flow rate restricting element 90 disposed on the upstream side thereof as in the fourth embodiment is more preferable.
  • a description will be given with reference to the fuel cell system 12 of the fourth embodiment.
  • FIG. 9 and FIG. 10 show the pressure change accompanying the opening / closing operation of the hydrogen exhaust valve 62.
  • P1 is the pressure value immediately after the valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62
  • P2 is the minimum pressure from when the valve opening command is given to the hydrogen exhaust valve 62 until the valve closing command is given.
  • the pressure value, P 3 indicates a pressure value (return pressure value) after a predetermined time has elapsed since the hydrogen exhaust valve 62 closed.
  • Each of P 1 to P 3 is a detection value of the pressure sensor 70.
  • the solid line indicates the pressure change when a flow rate reduction factor (for example, clogging) occurs at the downstream side of the hydrogen exhaust valve 62 or the hydrogen exhaust valve 62 itself, and the one-dot chain line indicates the pressure change in the normal state. Is shown. If a flow rate reduction factor occurs on the downstream side of the hydrogen exhaust valve 62 or on the hydrogen exhaust valve 62 itself, the pressure loss on the downstream side of the hydrogen exhaust valve 62 or the hydrogen exhaust valve 62 itself increases. The pressure value P2 detected by the pressure sensor 70 when the valve 2 is opened becomes higher than the normal value P2 '. On the other hand, since there is no flow reduction factor upstream of the hydrogen exhaust valve 62, the pressure change when the hydrogen exhaust valve 62 is closed is almost the same as the normal pressure change, and the return pressure P 3 is , Which is almost the same as the normal value.
  • a flow rate reduction factor for example, clogging
  • the solid line shows the pressure change when a flow rate reduction factor occurs upstream of the hydrogen exhaust valve 62 (for example, the flow rate limiting element 90), and the one-dot chain line shows the pressure change in a normal state.
  • a flow rate reduction factor occurs upstream of the hydrogen exhaust valve 62
  • the pressure sensor 70 detects when the hydrogen exhaust valve 62 is opened.
  • the pressure value P 2 becomes lower than the normal value P 2 ".
  • the return pressure P 3 becomes lower than the normal value P 3 ⁇ .
  • the state of the pressure change is different between the case where the flow rate reduction factor occurs on the downstream side of the hydrogen exhaust valve 62 or the hydrogen exhaust valve 62 itself and the case where the flow rate reduction factor occurs on the upstream side. to differ greatly. If a flow rate reduction factor occurs on the downstream side of the hydrogen exhaust valve 62 or on the hydrogen exhaust valve 62 itself, the pressure drop (P 1-P 2) when the hydrogen exhaust valve 62 is opened decreases. The pressure return (P3-P2) when the exhaust valve 62 is closed again is a normal value.
  • Fig. 11 shows the determination of abnormal part / retin in the hydrogen exhaust system.
  • the control unit 60 gives an opening / closing command to the hydrogen exhaust valve 62 and stores the pressure values P1, P2, and P3 detected by the pressure sensor 70.
  • the control unit 60 determines that the pressure is normal (S402).
  • the control unit 60 calculates the specified differential pressure one (P 1 ⁇ P 2) (S 403). ). If the specified differential pressure— (P 1—P 2)> 0 (S 404: YES), the control unit 60 has caused a flow reduction factor downstream of the hydrogen exhaust valve 62 or the hydrogen exhaust valve 62 itself. Is determined (S405).
  • the control unit 60 calculates the specified differential pressure— (P3—P2) (S406). If the specified differential pressure (P3-P2)> 0 (S407: YES), the controller 60 determines that a flow rate reduction factor has occurred upstream of the hydrogen exhaust valve 62 (S409).
  • the control unit 60 determines that the pressure loss on the downstream side of the hydrogen exhaust valve 62 is reduced (S 408). .
  • the failure determination of the exhaust valve is performed based on the failure determination value corresponding to the operating state of the fuel cell, the failure determination can be accurately performed without being affected by the operating state of the fuel cell.

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Abstract

 排気弁の故障判定を正確に行える故障診断装置を提案する。故障診断装置(50)は、燃料電池スタック(20)から排気されるアノード排出ガスの排出流路(32)に配設された排気弁(62)の故障を診断するための装置であって、燃料電池スタック(20)のアノード排出ガスの排出口(27)と排気弁(62)との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出部(70)と、検出部(70)が検出したアノード排出ガスの状態量と、燃料電池スタック(20)の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて排気弁(62)の故障を判定する判定部(51)とを備える。

Description

明細書 排気弁の故障診断装置 技術分野
本発明は燃料電池システムのアノード排出ガスの排出流路に配設されてい る排気弁の故障を判定する故障診断装置に関するものであり、 特に、 故障判 定精度を高めるための改良技術に関する。 背景技術
単セルを直列に複数積層して成る燃料電池スタックに燃料ガスと酸化ガス を供給して電力を発電する燃料電池システムにおいては、 アノード極から排 出された水素ガスを再びアノード極に還流させることにより未反応水素ガス を電池反応に再利用する構成が知られている。 水素ガスの循環路には水素ガ スの一部を排気するための水素排気弁が設けられており、 水素ガスに含まれ る水素以外の成分濃度が高くなつた時点で水素排気弁を定期的に開くことに よりアノード極に供給される水素濃度を適正に維持している。 ところが、 水 素排気弁に異常が生じ、 弁の開閉作動が正常に機能しない場合には、 電池運 転に支障が生じることとなる。 このため、 特開 2 0 0 3— 9 2 1 2 5号公報 には水素排気弁への水素排出指令を検知し、 燃料電池スタックの燃料給気部 の目標圧力と実際の水素供給圧とに基づいて水素排気弁の故障を判定する技 術が提案されている。 水素排気弁が開いている場合には実際の水素供給圧は 目標圧力よりも低下するはずであるから、 その差分が閾値以上であれば正常 であり、 差分が閾値未満であれば閉故障と判定できる。 また、 水素排気弁が 閉じている場合には、 実際の水素供給圧は目標圧力に一致するはずであるか ら、 その差分が閾値未満であれば正常であり、 差分が閾値以上であれば開故 障と判定できる。
[特許文献 1 ] 特開 2 0 0 3— 9 2 1 2 5号公報 発明の開示
し力 し、 上述の従来技術では、 燃料電池スタックの水素供給路に圧力セン サを設置して水素供給圧を検出する構成としているため、 水素循環系を備え たシステムでこのような構成を採用すると、 圧力センサは水素ガスを伝播す る水素循環ポンプの脈動 (圧力変動) の影響を受けるため、 水素排気弁の故 障診断に必要な水素供給圧を正確に検出することが困難になり、 故障判定を 誤診断する虞がある。
また、 水素排気弁の故障の有無を検知するために、 水素排気弁の上流側に 圧力センサを設置するだけでは、 燃料電池の出力変動に伴う水素循環系の圧 力変化や、 配管の圧力損失等により、 水素排気弁を開閉したときに十分な圧 力差を得ることができず、 誤検出をする場合があった。
また、 従来では、 水素排気弁の開閉時間と燃料電池スタックの発電電量と の関係を予めマップデータとして保持しておき、 このマップデータを参照し ながら水素排気弁を開閉制御していたので、 水素排気系の経時変化や何等か のシステム要因により水素排気弁の流量特性に変化が生じた場合に、 実際の 水素パージ量とマップ値 (予定される水素パージ量) との間にずれが生じ得 る。 実際の水素パージ量がマップ値を下回ると、 水素循環系の不純物濃度が 上昇し、 燃料電池スタックの発電特性が低下する。 一方、 実際の水素パージ 量がマップ値を上回ると、.燃費の悪化を招く。 このような異常を検出するた めに、 水素排気弁の開弁時と閉弁時のそれぞれにおける、 水素排気弁上流側 の水素排出通路の圧力変化を検出するだけでは、 異常部位を特定することが できない。
そこで、 本発明は上述の問題を解決し、 燃料電池システムのアノード排出 ガスの排出流路に配設されている排気弁の故障判定を正確に行える故障診断 装置を提案することを課題とする。
上記の課題を解決するため、 本発明の故障診断装置は、 燃料電池から排気 されるァノード排出ガスの排出流路に配設された排気弁の故障を診断するた めの装置であって、 燃料電池のアノード排出ガスの排出口と排気弁との間の ァノード排出ガスの状態量を検出する検出手段と、 検出手段が検出したァノ 一ド排出ガスの状態量に基づいて排気弁の故障を判定する判定手段とを備え る。 アノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量 に基づいて排気弁の故障判定を行うため、 正確な故障診断が可能になる。 本発明の故障診断装置は、 燃料電池から排気されるアノード排出ガスの排 出流路に配設された排気弁の故障を診断するための装置であって、 燃料電池 のアノード排出ガスの排出口と排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を 検出する検出手段と、 検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量と燃料 電池の運転状態に対応する故障判定値とに基づいて排気弁の故障を判定する 判定手段とを備える。 燃料電池の運転状態に対応する故障判定値に基づいて 排気弁の故障判定を行うことにより、 燃料電池の運転状態に影響されること なく正確に故障判定を行える。
排気弁の故障判定に用いられるアノード排出ガスの状態量としては、 例え ば、 アノード排出ガスの圧力が好適である。
本発明の故障診断装置はァノ一ド排出ガスの排出口と排気弁との間の排出 流路の流路断面積を小さくする絞り手段を更に備え、 検出手段は絞り手段と 排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出するように構成するのが望 ましい。 排出流路に絞り手段を設置することで ;、 排気弁の開弁時におけるァ ノ一ド排出ガス圧の低下量を一層大きくすることができるため、 燃料電池の 運転状態によって変動するアノード排出ガス圧の影響を受けずに正確な故障 判定を行える。 こ で、 判定手段は排気弁の故障が検出された場合には排気弁の故障判定 を複数回繰り返すのが望ましい。 このように構成すれば、 一時的な作動不良 等による誤判定を回避できる。
また、 判定手段は、 排気弁の開閉に伴う圧力変動に基づいて排気弁の故障 を判定するのが好ましい。 排気弁の開閉に伴う圧力変動を検出することで、 弁故障を判定できる。
また、 判定手段は、 閉弁している排気弁が開弁するときに検出手段が検出 するアノード排出ガスの圧力、 排気弁が開弁してから閉弁するまでに検出手. 段が検出するアノード排出ガスの最低圧力、 及び開弁している排気弁が閉弁 するときに検出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力に基づいて排気 弁の故障を判定するのが好ましい。 これら複数の圧力値に基づいて排気弁の 故障判定を行うことで、 精度の高い故障判定を実現できる。
また、 判定手段は、 閉弁している排気弁が開弁するときに検出手段が検出 したアノード排出ガスの圧力値の低下量が所定の閾値未満である場合に、 排 気弁の下流側又は排気弁自体に流量低下要因があると判定し、 所定の閾値以 上である場合に、 排気弁の上流側に流量低下要因があると判定するのが好ま しい。 かかる構成により、 アノード排出ガスの排出流路に生じた流量低下要 因の部位を特定できる。 図面の簡単な説明
図 1は実施例 1の燃料電池システムの主要構成図である。
図 2は水素排気弁の開弁時における出口水素圧力の低下を示す図である。 図 3は出口水素圧力の絶対圧を利用した故障判定ルーチンである。
図 4は出口水素圧力の差圧を利用した故障判定ルーチンである。
図 5は実施例 2の燃料電池システムの主要構成図である。
図 6は実施例 3の燃料電池システムの主要構成図である。 図 7は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変^ [匕,を示す説明図である。
図 8は水素排気弁の故障判定ルーチンである。
図 9は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。
図 1 0は水素排気弁の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。 図 1 1は水素排気系の異常部位を特定する判定ルーチンである。 発明を実施するための最良の形態
本実施形態の故障診断装置は、 水素排気弁に開閉指令が与えられたときに おける燃料電池の水素排出口と水素排気弁との間の水素流路 (水素排出路又 は水素循環路) を流れる水素ガス.(アノード排出ガス) の状態量を検出し、 検出された水素ガスの状態量と燃料電池の運転状態に対応する故障判定値と に基づいて (例えば、 水素ガス状態量と故障判定値との大小関係等を比較し て) 水素排気弁の故障 (開閉故障等の作動不良又は破損等によるガス漏れ) を判定する。 ここで、 水素ガスの状態量とは、 水素圧力又はこれと物理的に 等価な物理量 (例えば、 水素ガスの流量又は流速など) をいう。 更に、 水素 ガスの状態量には水素圧力又はこれと物理的に等価な物理量の変化量又はそ の変化速度を含むものとする。 後述する各実施例ではガス状態量として水素 圧力 (絶対圧) 又はその変化量 を例示するが、 これに限定されるも のではない。 また、 故障判定値とは故障判定の目安となる水素ガスの状態量 をいい、 燃料電池の運転状態に応じて変動する水素ガスのガス状態量の変動 量を加味した上で適正な故障判定が行えるように設定するのが望ましい。
(実施例 1 )
図 1は本実施例に係わる燃料電池システム 1 0の概略構成を示している。 同システム 1 0は、 例えば、 燃料電池車両搭載用又は定置用の発電システム として構成されており、 反応ガス (水素ガス、 酸素ガス) の供給を受けて電 力を発電する燃料電池スタック 2 0を備えている。 燃料電池スタック 2 0は フッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る 高分子電解質膜 2 1の両面にアノード極 2 2と力ソード極 2 3をスクリーン 印刷等で形成した膜電極接合体 2 4を備えている。 膜電極接合体 2 4の両面 は図示しないリブ付セパレータによってサンドィツチされ、 このセパレータ とアノード極 2 2及び力ソード極 2 3との間にそれぞれ溝状のアノードガス チャンネル 2 5及び力ソードガスチャンネル 2 6を形成している。 高圧水素 タンク又は水素吸蔵合金タンク等の水素供給源 (図示せず) から放出される 水素ガスはレギユレータ 6 1にて所定圧に減圧された後に水素供給路 3 1を 流れてアノード極 2 2に供給され、 電池反応に供した後に水素排出路 3 2を 流れて排出される。 水素排出路 3 2には水素オフガスをシステム外に排出す るための水素排気弁 6 2が配設されている。 水素排気弁 6 2としては、 例え ば、 電磁遮断弁が好適であり、 リニア弁、 オンオフ弁の何れでもよい。 燃料 電池スタック 2 0の水素排出口 2 7と水素排気弁 6 2との間には水素排出路 3 2内の水素圧力を検出する検出手段としての圧力センサ 7 0が設置されて いる。 一方、 酸素供給路 4 1から力ソード極 2 3に供給される酸素ガスは電 池反応に供した後に酸素排出路 4 2を流れて排出される。 制御部 5 0は要求 負荷に応じて発電制御を行うシステムコントローラであり、 必要に応じて水 素排気弁 6 2の開閉指令を与えて水素オフガスを定期的に排出する。 制御部 5 0は圧力センサ 7 0が検出した水素圧力に基づいて水素排気弁 6 2の開閉 故障又は破損等の故障を判定する判定手段 5 1を備えた故障診断装置として 機能する。
次に、 水素排気弁 6 2の故障判定の概要について説明する。 水素排気弁 6 2が正常に閉弁しているときには、 水素排気口 2 7と水素排気弁 6 2との間 の水素排出路 3 2の水素圧力 (以下、 出口水素圧力と称する。) の最低圧は 水素パージ時 (水素排気弁 6 2の開弁時) の想定最高圧 (推定最高圧) 以上 になり、 水素排気弁 6 2が正常に開弁しているときには、 出口水素圧力は通 常運転時 (水素排気弁 6 2の閉弁時) の想定最低圧 (推定最低圧) 以下に.な ることが本発明者の実験により確認されている。 ここで、 水素パージ時の想 定最高圧及び通常運転時の想定最低圧としては、 システムの運転状態 (燃料 電池スタック 2 0の運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性など) に対応し て定まる圧力値でもよく、 又はシステムの運転状態に関係ない一定圧力値で あってもよい。 これらの圧力値 (水素パージ時の想定最高圧、 通常運転時の 想定最低圧) は水素排気弁 6 2の故障判定値として用いることができる。 具 体的には、 水素排気弁 6 2が閉弁しているときの出口水素圧力 (絶対圧) 若 しくは水素排気弁 6 2が開弁しているときの出口水素圧力 (絶対圧) を故障 判定値と比較することにより、 又はこれらの出口水素圧力の差圧を故障判定 値と比較することにより、 水素排気弁 6 2の開閉故障又は破損等の有無を判 定できる。 但し、 出口水素圧力は水素排気弁 6 2が開閉しなくても、 運転負 荷やレギュレータ 6 1の流量特性等に起因して水素流量が絶えず変動するた め、 これらの影響による圧力変動が水素排気弁 6 2の開閉に伴う圧力変動と して誤判定されないように故障判定値の値を設定する必要がある。 また、 水 素排気弁 6 2の開閉故障を一旦検出すると、 故障判定を所定回数繰り返し実 行することで誤判定を回避することができる。
図 3は出口水素圧力の絶対値を用いた水素排気弁故障判定ルーチンを示し ている。 同ルーチンは制御部 5 0によって実行される。 同ルーチンが呼び出 されると、 まず、 変数 Iを初期化するために、 初期値 「1」 を代入する (S 1 0 1 )。 変数 Iは故障判定の繰り返し回数を計数するための変数である。 次に、 水素パージを行うか否かを判定する (S 1 0 2 )。 水素パージを行う 場合には (S 1 0 2 ; Y E S )、 水素排気弁 6 2に開弁指令を与え (S 1 0 3 )、 出口水素圧力の最低値 (圧力センサ 7 0が検出した最低圧) P 1が水 素パージ時の想定最高圧 P X以上であるか否かを判定する (S 1 0 4 )。 出 口水素圧力の最低値 P 1が水素パージ時の想定最高圧 P X未満である場合に は (S 104 ; NO), 正常に開弁していると判定し (S 105)、 同ルーチ ンを終了する。 一方、 出口水素圧力の最低値 P 1が水素パージ時の想定最高 圧 PX以上である場合には (S 104 ; YES), 水素排気弁 62が正常に 開いていない、 つまり、 閉故障と判定する (S 106)。 そして、 変数 Iの 値を 「 1」 だけインクリメントし ( S 107 )、 変数 Iの値が所定回数 I A 未満であれば (S 108 ; NO)、 S 103以降の処理を再度繰り返し、 変 数 Iの値が所定回数 I A以上であれば (S 108 ; YE S)、 水素排気弁 6 2は閉故障の状態にあると確定する (S 109)。
一方、 水素パージを行わない場合には (S 102 ; NO)、 水素排気弁 6 2に閉弁指令を与え (S 1 10)、 出口水素圧力 (圧力センサ 70が検出し た水素圧) P 2が通常運転時の想定最低圧 PY以下であるか否かを判定する (S 1 1 1)。 出口水素圧力 P 2が通常運転時の想定最低圧 PY以上である 場合には (S 1 1 1 ; NO)、 正常に閉弁していると判定し (S 105)、 同 ルーチンを終了する。 一方、 出口水素圧力 P 2が通常運転時の想定最低圧 P Y以下である場合には (S 1 1 1 ; YES)、 水素排気弁 62が正常に閉じ てない、 つまり開故障と判定する (S 1 1 2)。 そして、 変数 Iの値を
「 1」 だけィンクリメントし ( S 1 1 3 )、 変数 Iの値が所定回数 I B未満 であれば (S 1 14 ; NO)、 S 1 10以降の処理を再度繰り返し、 変数 I の値が所定回数 I B以上であれば (S 1 14 ; YES)、 水素排気弁 62は 開故障の状態にあると確定する (S 1 1 5)。
尚、 「開故障」 とは弁が開いたままになって閉弁できなくなる故障状態を いい、 「閉故障」 とは弁が閉じたままになって開弁できなくなる故障状態を ぃラ。
図 4は出口水素圧力の差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンを示して いる。 同ルーチンは制御部 50によって実行される。 同ルーチンが呼び出さ れると、 まず、 変数 Jを初期化するために、 初期値 「1」 を代入する (S 2 01)。 変数 Jは故障判定の繰り返し回数を計数するための変数である。 次 に、 水素パージを行うか否かを判定する (S 202)。 水素パージを行わな い場合には (S 202 ; NO), 同ルーチンを終了する。 水素パージを行う 場合には (S 202 ; YE S)、 水素排気弁 62に開弁指令を与え (S 20 3)、 水素パージ直後 (開弁指令を与えた直後) の出口水素圧力 PAと、 水 素パージ後 (開弁指令を与えてから所定時間経過後) の出口水素圧力の最低 圧力 PBを記録する (S 204, S 205)。 水素排気弁 62が正常に開弁 したならば、 出口水素圧力は低下するはずであるから、 上述した圧力 P Aと 圧力 P Bの差圧は所定の想定差圧 (故障判定値) P Z以上になることが予想 される。 想定差圧 PZは水素排気弁 62が正常に開弁したときに検出される 出口水素圧力の差圧である。 大流量の水素を必要とする高負荷時にはレギュ レータ 61の 2次圧は低下する一方で、 小流量の水素で足りる低負荷時には レギユレータ 61の 2次圧は増加するため、 想定差圧 PZは高負荷運転時よ りも低負荷運転時の方が大きい値になる。 そこで、 差圧 (PA—PB) と想 定差圧 PZを比較し、 差圧 (PA-PB) が想定差圧 P Z以上であれば (S 206 ; YE S)、 開閉故障なし (正常作動) と判定し (.S 207)、 同ルー チンを終了する。
一方、 差圧 (PA— PB) が想定差圧 P Z未満であれば (S 206 ; N 0)、 水素排気弁 62が正常に開閉していない、 つまり、 開閉故障が生じて いると判定する (S 208)。 次いで、 水素排気弁 62が開故障の状態にあ るのか又は閉故障の状態にあるのかを判定するため、 水素パージ時の出口水 素圧力の最低圧力が取り得る最高圧力 P Hと、 上述した圧力 P Bを比較し
(S 209)、 圧力 P Bが圧力 PH以上である場合には (S 209 ; YES), 水素排気弁 62が正常に開弁しない、 つまり、 閉故障と判定する (S 21 0)。 誤判定を回避するため、 再度、 水素排気弁 62に開閉指令を与え (S 21 1)、 変数 Jの値を 「1」 だけインクリメントする (S 21 2)。 変数 J の値が所定回数 J C未満であれば (S 21 3 ; NO)、 S 204以降の処理 を再度繰り返し、 変数 Jの値が所定回数 J C以上であれば (S 213 ; YE S)、 水素排気弁 62は閉故障の状態にあると確定する (S 214)。
一方、 圧力 P Bが圧力 PH未満である場合には (S 209 ; NO), 水素 排気弁 62は正常に開弁できていると推定できる。 そこで、 水素排気弁 62 が開故障の状態にあるか否かを判定するため、 水素パージ時の想定最低圧 P Lと、 上述した圧力 P Aを比較し (S 21 5)、 圧力 PAが圧力 PL以下で ある場合には (S 21 5 ; YE S)、 水素排気弁 62が正常に閉弁しない、 つまり、 開故障と判定する (S 216)。 その後は上述した S 21 1以降の 処理を行う。 これに対して、 圧力 PAが圧力 P L以上である場合には (S 2 15 ; N〇)、 S 208の故障判定は誤りと考えられるため、 水素排気弁 6 2に開閉故障は生じてないもの判定して、 同ルーチンを終了する。
尚、 上述した水素排気弁故障判定ルーチンでは運転負荷に応じて変動する 出口水素圧力を用いているので、 故障判定精度を高めるために水素排出口 2 7と圧力センサ 70との間の水素排出路 32に流路断面積を小さくするオリ フィス (絞り手段又は流量制限手段) 80を設けて (図 1参照)、 水素排気 弁 62の開弁後における出口水素圧力の低下量を一層増大させるように構成 するのが望ましい。 圧力センサ 70の上流にオリフィス 80を設けると、 水 素排出路 32の流体抵抗は増大するため、 水素排気弁 62を開弁しても、 ォ リフィス 80の下流にある圧力センサ 70には水素ガスが流入し難くなる。 このため、 図 2に示すように、 オリフィス 80を設けたときの出口水素圧力 (実線) の低下量はオリフィス 80を設けていないときの出口水素圧力 (点 線) の低下量よりも大きくなる。 このように、 水素排気弁 62の開弁後にお ける出口水素圧力の低下量を大きくすることで、 運転負荷ゃレギユレータ 6 1の流量特性等に起因する開閉故障の誤判定を回避することができる。 伹し、 故障判定値として用いられる 「水素パージ時の想定最高圧」、 「通常 運転時の想定最低圧」、 「想定差圧」、 「水素パージ時の出口水素圧力の最低圧 力が取り得る最高圧力」、 「水素パージ時の想定最低圧」 については、 オリフ イス 8 0の設置に伴う出口水素圧力の低下量を考慮して適宜補正する必要が ある。
本実施例によれば、 運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性等に起因する 水素流量の変動を加味した故障判定値と、 出口水素圧力を比較して水素排気 弁 3 2の故障判定を行うので、 システムの運転状態に影響されずに故障判定 を行うことができる。 また、 圧力センサ 7 0の上流にオリフィス 8 0を設置 することにより水素排気弁 6 2の開弁後における出口水素圧力の低下量を大 きくし、 運転負荷やレギュレータ 6 1の流量特性等に起因する開閉故障の誤 判定を回避できる。
尚、 出口水素圧力の絶対圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンと、 出口 水素圧力の差圧を用いた水素排気弁故障判定ルーチンは何れか一方のみを実 行してもよいが、 一方の故障判定ルーチンで開閉故障が検出された場合に、 他方の故障判定ルーチンを実行して開閉故障の有無を再判定するように構成 してもよレヽ。 , '
, (実施例 2 )
図 5は本実施例に係わる燃料電池システム 1 1の概略構成を示している。 図中、 図 1に示した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示す ものとしてその詳細な説明を省略する。 同システム 1 1は水素循環系を備え ており、 水素排出路 3 2を流れる水素ガスを水素供給路 3 1に還流させる水 素循環路 3 3が配管されている。 水素排出路 3 2には燃料電池スタック 2 0 から排出された水素ガスを水素供給路 3 1に圧送するための水素循環ポンプ 6 3が設置されている。 水素循環ポンプ 6 3は制御部 5 0によって馬区動制御 される。 本実施例のように水素循環系に水素循環ポンプ 6 3を備えるシステ ムでは、 レギユレータ 6 1の流量特性に加えて、 水素循環ポンプ 6 3の駆動 に伴う水素ガスの圧力変動 (脈動) が生じるため、 圧力センサ 7 0が検出す る出口水素圧力 (検出圧力) は水素循環ポンプ 6 3の影響を受けて測定誤差 を生じる虞がある。 そこで、 水素循環ポンプ 6 3の下流側と圧力センサ 7 0 との間にオリフィス 8 0を設けることにより、 水素循環ポンプ 6 3の駆動に 伴い圧力センサ 7 0に伝播する水素ガスの圧力変動を抑制している。 本実施 例における水素排気弁 6 2の故障判定処理 (出口水素圧力の絶対圧又は差圧 を用いた水素排気弁故障判定ルーチン) は実施例 1と同様である。
(実施例 3 )
上述した実施例 1又は実施例 2において、 水素排気弁 6 2の開弁時におけ る出口水素圧力の低下を大きくするための手段としては、 水素排出路 3 2の 流路断面積を小さくすることが可能な絞り手段であれば、 必ずしもオリフィ ス 8 0である必要はなく、 例えば、 絞り手段としての弁を水素排出路 3 2に 配設し、 弁開度を調整することで水素排出路 3 2の流路断面積を小さくする ように構成してもよい。 また、 このような絞り手段 (オリフィス又は弁な ど) は必ずしも必須ではなく、 適宜省略してもよい。
(実施例 4 )
図 6は本実施例に係わる燃料電池システム 1 2の概略構成を示している。 図中、 図 5に示した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示す ものとしてその詳細な説明を省略する。 高圧水素タンク 9 2から放出される 水素ガスは水素供給路 3 1を通じて燃料電池 2 0のアノード極 2 2に供給さ れる。 電池反応に供した後の水素オフガスは水素排出路 3 2を流れ、 水素循 環ポンプ 6 3によって圧縮されて、 水素循環路 3 3を経由して水素供給路 3 1に還流する。 水素循環路 3 3には水素排出路 3 4が分岐配管されており、 水素排気弁 6 2を開閉することによって、 不純物濃度の高い水素オフガスを 水素循環系外に排出する構成となっている。 水素排気弁 6 2から排出された 水素オフガスは希釈器 9 3に導入され、 十分な低濃度に希釈されてシステム 外に排気される。 一方、 大気から取り込まれた空気はエアコンプレッサ 9 1 によって加圧され、 酸素供給路 4 1を通じて力ソード極 2 3に供給される。 電池反応に供した後の酸素オフガスは酸素排出路 4 2を流れて、 希釈器 9 3 に流入する。 水素排気弁 6 2の上流側には流量制限要素 9 0が配設されてい る。 流量制限要素 9 0は、 水素排出路 3 4を流れる水素オフガスの流量を制 限するための部材であり、 例えば、 オリフィス等である。 制御部 5 0はエア コンプレッサ 9 1の駆動制御や水素排気弁 6 2の開閉制御を行う他、 圧力セ ンサ 7 0が検出した圧力値に基づいて水素排気弁 6 2の故障判定を行う。 圧 力センサ 7 0は流量制限要素 9 0の出口側と水素排気弁 6 2の入り口側との 間にある水素排出路 3 4内の水素圧を計測する。
図 7は水素排気弁 6 2の開閉動作に伴う圧力変化を示す説明図である。 同 図に示す例では、 水素排気弁 6 2の開閉作動を 3回繰り返すための駆動信号 が出力されている。 1回目の開弁指令は時刻 t 1〜 t 2の期間に、 2回目の 開弁指令は時刻 t 3〜 t 4の期間に、 3回目の開弁指令は時刻 t 5〜 t 6の 期間に、 それぞれ出力されている。 ところが、 1回目の開弁指令では水素排 気弁 6 2は正常に開弁しているものの、 2回目及ぴ 3回目の.開弁指令では水 素排気弁 6 2は正常に開閉作動せず、 開弁したままである (開故障)。 図中、 P 1— nは水素排気弁 6 2に n回目の開弁指令が与えられた直後の圧力値、 P 2— nは水素排気弁 6 2に n回目の開弁指令が与えられてから閉弁指令が 与えられる迄の最低圧力値、 P 3— nは水素排気弁 6 2に n回目の閉弁指令 が与えられた直後の復帰圧力値である。 これらの各圧力値 P 1— n, P 2 _ n, 及び P 3— nは、 圧力センサ 7 0の検出値である。 水素排気弁 6 2に弁 故障が生じてない場合には、 水素排気弁 6 2が閉弁しているときの圧力 P 1 — nは、 水素循環路 3 3の圧力に等しい。 水素排気弁 6 2が開弁すると、 水 素排出路 3 4を流下する水素ガスの流れは流量制限窭素 9 0によって抑制さ れ、 最低圧力値 P 2 nは流量制限要素 9 0が無いときの最低圧力値よりも 大幅に低下するので、 ;τΚ素排気弁 6 2の開閉に伴う圧力変化を大きくとるこ とが可能である。
次に、 水素排気弁 6 2の開閉故障を診断する方法について説明する。
( 1 ) 制御部 5 0は、 1回目の開弁指令が水素排気弁 6 2に与えられたとき の圧力値 Ρ 1— 1, Ρ 2— 1, 及ぴ Ρ 3—1を記憶する。
( 2 ) 制御部 5 0は、 Ρ 3—1と Ρ 2—1とを比較し、 両者の差圧が所定の 閾値以上であるか否かを判定する。 図 7に示す例では、 1回目の開弁指令に 対して水素排気弁 6 2は正常に開閉しているので、 両者の差圧は閾値以上と なる。 そこで、 制御部 5 0は、 水素排気弁 6 2が正常に開閉していると判断 し、 Ρ 1—1を正常圧力として記憶する。
( 3 ) 制御部 5 0は、 2回目の開弁指令が水素排気弁 6 2に与えられたとき の圧力値 Ρ 1— 2 , Ρ 2— 2 , 及び Ρ 3— 2を記憶する。
( 4 ) 制御部 5 0は、 Ρ 3— 2と Ρ 2— 2とを比較し、 両者の差圧が所定の 閾値以上であるか否かを判定する。 図 7に示す例では、 2回目の開弁指令に 対して水素排気弁 6 2は正常に開閉していないので、 両者の差圧は閾値未満 .となる。 そこで、 制御部 5 0は、 水素排気弁 6 2が開故障の状態にあると判 ,断する。
( 5 ) 水素排気弁 6 2が開故障の状態にあると、 大量の水素オフガスが希釈 器 9 3に流れ込み、 十分に希釈されないままシステム外に排気される虞があ る。 そこで、 制御部 5 0はエアコンプレッサ 9 1に対してエア流量の増加を 指示する。
( 6 ) 更に、 再判定のために制御部 5 0は水素排気弁 6 2に 3回目の開弁指 令を与える。
( 7 ) 制御部 5 0は、 3回目の開弁指令が水素排気弁 6 2に与えられたとき の圧力値 P 1— 3 , Ρ 2— 3, 及ぴ Ρ 3— 3を記憶する。
( 8 ) 制御部 5 0は、 P I— 1 (正常時圧力) と P 1— 3とを比較し、 両者 の差圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する。 図 7に示す例では、 3回 目の開弁指令に対して水素排気弁 62は正常に開閉していないので、 両者の 差圧は閾値以上となる。 そこで、 制御部 50は、 水素排気弁 62が開故障の 状態が継続していると判定する。
(9) 水素排気弁 62の開故障の状態が継続していると判定されたならば、 最終確認として、 制御部 50は P 3— 3と P 2— 3とを比較し、 両者の差圧 が所定の閾値以上であるか否かを判定する。 図 7に示す例では、 3回目の開 弁指令に対して水素排気弁 62は正常に開閉していないので、 両者の差圧は 閾値未満となる。 そこで、 制御部 50は水素排気弁 62の開故障の状態が継 続していると判定する。
図 8は水素排気弁 62の故障判定ルーチンを示している。 同図を参照しな がら、 上述の説明を再述する。 同ルーチンが呼び出されると、 制御部 50は P 3—1と P 2—1との差圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する (S 301)。 P 3—1と P 2_1との差圧が所定の閾値以上である場合には (S 301 ; YES), 制御部 50は、 水素排気弁 62が正常に開閉してい ると判定し (S 302)、 本ルーチンを終了する。 一方、 P 3— 1と P 2— 1との差圧が所定の閾値未満である場合には (S 301 ; NO), 水素排気 弁 62が開故障している可能性があるので、 制御部 50は再度、 水素排気弁 62に開弁指令を与えるとともに、 エアコンプレッサ 91にエア流量増加指 示を与える (S 303)。 次いで、 制御部 50は、 P I— 1と P 1— 3との 差圧が所定の閾値未満であるか否かを判定する (S 304)。 P I— 1と P 1—3との差圧が所定の閾値未満である場合には (S 304 ; YE S)、 制 御部 50は、 水素排気弁 62が正常に開閉していると判定し (S 302)、 本ルーチンを終了する。 一方、 P 1—1と P 1—3との差圧が所定の閾値以 上である場合には (S 304 ; NO)、 水素排気弁 62が開故障している可 能性があるので、 再確認のために、 P 3_3と P 2— 3との差圧が所定の閾 値以上であるか否かを判定する. (S 3 0 5 )。 P 3— 3と P 2— 3との差圧 が所定の閾値以上である場合には (S 3 0 5 ; Y E S ) , 制御部 5 0は、 水 素排気弁 6 2が正常に開閉していると判定し (S 3 0 2 )、 本ルーチンを終 了する。 一方、 P 3— 3と P 2— 3との差圧が所定の閾値未満である場合に は (S 3 0 5 ; N O)、 制御部 5 0は、 水素排気弁 6 2が開故障していると 判定し (S 3 0 6 )、 本ルーチンを終了する。
本実施例によれば、 流量制限要素 9 0の出口側と水素排気弁 6 2の入口側 との間の水素排出路 3 4に圧力センサ 7 0を配設したので、 水素排気弁 6 2 の開閉に伴う圧力変化を大きくとることが可能となる。 また、 複数の圧力値 ( P I— n, P 2 _n , 及び P 3— n ) の比較により水素排気弁 6 2の故障 をより正確に判定することができるとともに、 水素排気弁 6 2の開故障に備 えて予めエアコンプレッサ 9 1のエア流量を増量しておくことで、 高濃度水 素ガスの排気を抑制できる。
(実施例 5 )
次に、 水素排気系に生じた流量低下要因の部位を判定する方法について説 明する。 本実施例が適用される燃料電池システムは、 水素排気弁 6 2の上流 側に圧力センサ 7 0が配設された構成であればよい。 例えば、 実施例 4のよ うに、 水素排気弁 6 2とその上流側に配設された流量制限要素 9 0との間に 圧力センサ 7 0が配設された構成がより好ましい。 説明の便宜上、 実施例 4 の燃料電池システム 1 2を参照しながら説明する。
図 9及び図 1 0は、 水素排気弁 6 2の開閉動作に伴う圧力変化を示してい る。 図中、 P 1は水素排気弁 6 2に開弁指令が与えられた直後の圧力値、 P 2は水素排気弁 6 2に開弁指令が与えられてから閉弁指令が与えられる迄の 最低圧力値、 P 3は水素排気弁 6 2が閉弁して所定時間が経過した後の圧力 値 (復帰圧力値) を示している。 P 1 ~ P 3は、 何れも圧力センサ 7 0の検 出値である。 図 9において、 実線は水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体 に流量低下要因 (例えば、 詰まり等) が生じたときの圧力変化を示し、 一点 鎖線は正常状態の圧力変化を示している。 水素排気弁 6 2の下流側或いは水 素排気弁 6 2自体に流量低下要因が生じると、 水素排気弁 6 2下流側或いは 水素排気弁 6 2自体の圧力損失が増加するので、 水素排気弁 6 2を開弁した ときに圧力センサ 7 0が検出する圧力値 P 2は、 正常値 P 2 ' よりも高くな る。 一方、 水素排気弁 6 2の上流側には、 流量低下要因が無いので、 水素排 気弁 6 2閉弁時の圧力変化は、 正常時の圧力変化とほぼ同様となり、 復帰圧 力 P 3は、 正常値 とほぼ同一である。
図 1 0において、 実線は水素排気弁 6 2の上流側 (例えば、 流量制限要素 9 0 ) に流量低下要因が生じたときの圧力変化を示し、 一点鎖線は正常状態 の圧力変化を示している。 水素排気弁 6 2の上流側に流量低下要因が生じる と、 流量制限要素 9 0を通過する水素ガス量が低下するので、 水素排気弁 6 2を開弁したときに圧力センサ 7 0が検出する圧力値 P 2は、 正常値 P 2 " よりも低くなる。 更に、 水素排気弁 6 2の上流側の圧力損失の増大に伴い、 水素排気弁 6 2を閉弁しても、 圧力は直ちには復帰せず、 復帰圧力 P 3は正 常値 P 3〃 よりも低くなる。
このように、 水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体に流量低 下要因が生じた場合と、 その上流側に流量低下要因が生じた場合とでは、 圧 力変化の様子が大きく異なる。 水素排気弁 6 2の下流側或いは水素排気弁 6 2自体に流量低下要因が生じると、 水素排気弁 6 2を開弁したときの圧力降 下量 (P 1—P 2 ) は小さくなる力 水素排気弁 6 2を再び閉弁したときの 圧力復帰量 (P 3—P 2 ) は正常値である。 一方、 水素排気弁 6 2の上流側 に流量低下要因が生じると、 水素排気弁 6 2を開弁したときの圧力降下量 ( P 1 - P 2 ) は大きくなり、 水素排気弁 6 2を再ぴ閉弁したときの圧力復 帰量 (P 3— P 2 ) は小さくなる。 図 1 1は水素排気系の異常部位判定/レーチンを示している。
制御部 60は、 水素排気弁 62に開閉指令を与えるとともに、 圧力センサ 70が検出した圧力値 P 1, P 2, P 3を記憶する。
制御部 60は、 差圧 (P 1— P 2) が所定の閾値以内であれば (S 40 1 ; YES)、 正常であると判定する (S402)。
一方、 差圧 (P 1— P 2) が所定の閾値を超えていれば (S 401 ; N 0)、 制御部 60は、 規定差圧一 (P 1 -P 2) を演算する (S 403)。 規 定差圧— ( P 1— P 2 ) 〉0であれば ( S 404 : YES), 制御部 60は、 水素排気弁 62の下流側又は水素排気弁 62自体に流量低下要因が生じてい ると判定する (S 405)。
規定差圧一 ( P 1— P 2 ) ≤ 0であれば ( S 404 : NO), 制御部 60 は、 規定差圧— (P 3— P 2) を演算する (S 406)。 規定差圧一 (P 3 一 P 2 ) > 0であれば ( S 407 : YES), 制御部 60は、 水素排気弁 6 2の上流に流量低下要因が生じていると判定する (S409)。
規定差圧— (P 3— P 2) 0であれば (S 407 : NO)、 制御部 60 は、 水素排気弁 62の下流側の圧力損失が減少しているものと判定する (S 408)。
本実施例によれば、 圧力値 P 1, P 2, P 3を検出することにより、 水素 排気系に生じた流量低下要因の部位 (異常部位) を特定することができる。 産業上の利用可能性
本発明によれば燃料電池の運転状態に対応する故障判定値に基づいて排気 弁の故障判定を行うので、 燃料電池の運転状態に影響されることなく正確に 故障判定を行える。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料電池から排気されるァノード排出ガスの排出流路に配設された排 気弁の故障を診断するための装置であって、 前記燃料電池のアノード排出ガ スの排出口と前記排気弁との間のアノード排出ガスの状態量を検出する検出 手段と、 前記検出手段が検出したアノード排出ガスの状態量に基づいて前記 排気弁の故障を判定する判定手段とを備える、 故障診断装置。
2 . 請求項 1に記載の故障診断装置であって、 前記判定手段は、 前記検出 手段が検出したアノード排出ガスの状態量と前記燃料電池の運転状態に対応 する故障判定値とに基づいて前記排気弁の故障を判定する、 故障診断装置。
3 . 請求項 1又は請求項 2に記載の故障診断装置であって、 前記アノード 排出ガスの状態量は前記アノード排出ガスの圧力である、 故障診断装置。
4 . 請求項 1乃至請求項 3のうち何れか 1項に記載の故障診断装置であつ て、 前記排出口と前記排気弁との間の排出流路の流路断面積を小さくする絞 り手段を更に備え、 前記検出手段は前記絞り手段と前記排気弁との間のァノ ード排出ガスの状態量を検出する、 故障診断装置。
5 . 請求項 1乃至請求項 4のうち何れか 1項に記載の故障診断装置であつ て、 前記判定手段は前記排気弁の故障が検出された場合には前記排気弁の故 障判定を複数回繰り返す、 故障診断装置。
6 · 請求項 1乃至請求項 5のうち何れか 1項に記載の故障診断装置であつ て、 前記判定手段は、 前記排気弁の開閉に伴う圧力変動に基づいて前記排気 弁の故障を判定する、 故障診断装置。
7 . 請求項 6に記載の故障診断装置であって、 前記判定手段は、 閉弁して いる排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出するアノード排出ガスの圧 力、 前記排気弁が開弁してから閉弁するまでに前記検出手段が検出するァノ 一ド排出ガスの最低圧力、 及び開弁している排気弁が閉弁するときに前記検 出手段が検出するアノード排出ガスの復帰圧力に基づいて前記排気弁の故障 を判定する、 故障診断装置。
8 . 請求項 1に記載の故障診断装置であって、 前記判定手段は、 閉弁して いる排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出したアノード排出ガスの圧 力値の低下量が所定の閾値未満である場合に、 前記排気弁の下流側又は前記 排気弁自体に流量低下要因があると判定する、 故障診断装置。
9 . 請求項 1に記載の故障診断装置であって、 前記判定手段は、 閉弁して いる排気弁が開弁するときに前記検出手段が検出したァノード排出ガスの圧 力値の低下量が所定の閾値以上である場合に、 前記排気弁の上流側に流量低 下要因があると判定する、 故障診断装置。
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